CN101515033A - 用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列 - Google Patents

用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列 Download PDF

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Abstract

用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列，其特征是一组传声器采用多层立体网格结构分布，所述多层立体网格结构分布是将所述传声器分布在四棱锥的四个侧面上，所有传声器在四棱锥底面上投影呈平面网格排布，对各个传声器拾取的声压信号，采用波束成形法进行计算，重建源面声压分布。本发明不增加传声器数目，实现方式简单；与平面网格阵列相比，达到了离散化的目的，减少了栅瓣和虚影的影响，可以提高噪声源识别的分辨率。

Description

用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列
技术领域
本发明涉及一种对声信号进行测量的阵列，更具体地说是用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列。
背景技术
噪声源识别和定位技术在噪声控制及声学故障诊断中具有非常重要的意义，从声源上控制噪声可以减轻噪声治理的工作量，对促进低噪声产品的设计制造，提高产品质量和寿命有直接效果。常用的噪声源识别和定位技术有声压法、声强法、近场声全息(NAH)、波束成形法(Beamforming)等。声强法主要用于定位中低频噪声源，而声压法通常用于噪声源的粗略定位。声全息技术发展比较成熟，可精确定位声源，但是只适合近距离测量和对中低频率噪声进行识别。波束成形是基于阵列测量的一种信号处理技术，适合中高频率的声源识别和中长距离的测量，可以用于稳态声源、非稳态声源以及缓慢运动声源的识别，从而有效弥补NAH在高频识别的不足。
波束成形方法是基于平面波或者球面波假设，通过测量选定方向或位置上的声波辐射能量的相对大小，来确定声源的位置。通过增强特定方向上的有用信号，相应衰减其它方向上的干扰信号，实现噪声源信号在传声器阵列中的重建，进而可以识别定位声源。与NAH不同波束成形方法除了可以应用规则阵列外，还可以应用不规则阵列，对于不能紧靠声源表面进行测量的情况，以及高频的大尺寸声源，波束成形可以利用少量的传声器获得较高的分辨率。目前波束成形法已经广泛应用于雷达、通信、电子对抗和声纳等领域。
传声器阵列一般分为规则阵列和不规则阵列。常用的规则阵列包括线阵列、十字阵列和网格阵列；不规则阵列包括随机阵列，阿基米德螺旋线阵列等。规则阵列最大的局限性在于会产生空间混叠问题，原因是由于相同间距之间不断重复的空间采样所引起的。严重的混叠现象会导致虚影的产生，而这些虚影和实际噪声源具有同样的水平，从而不能找出真正的声源。一般来说，不规则阵列优于规则阵列，可有效地抑制旁瓣和栅瓣的产生。但是一方面在给定频率范围内设计不规则阵列时，只能依靠大量的实验，获取大量的数据，不断地纠正误差，才能获得实用的阵列；另外由于不规则阵列几何构造的复杂性，相对应的传声器很难满足不规则阵列所要求的条件，结果可能导致实际环境的测量很困难。
平面网格阵列是常用的一种阵列，其指向性、抑制旁瓣的能力和声源识别效果均优于十字阵列。但平面网格阵列仍属于规则阵列，由于不断地重复采样，会导致栅瓣和虚影的产生。
发明内容
本发明所解决的技术问题是避免上述现有技术所存在的不足之处，在不增加传声器数目的前提下，将网格阵列进行分层，提供一种实现方便、栅瓣和虚影影响小的用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列，其结构特点是一组传声器采用多层立体网格结构分布，所述多层立体网格结构分布是将所述传声器分布在四棱锥的四个侧面上，所有传声器在四棱锥底面上投影呈平面网格排布。
本发明用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列的结构特点也在于在所述平面网格中，x和y方向上的传声器个数均为n，相邻的传声器之间的间隔为d；所述多层立体网格阵列共为m层，所述m为
Figure A20091011648200041
的取整数，相邻两层之间的间隔为亦d。
本发明是在不增加传声器数目的前提下，将网格阵列进行分层，形成一个多层立体网格阵列，从而达到离散化的目的，减少栅瓣和虚影的影响。
与已有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所采用的多层立体网格阵列是将平面网格阵列进行分层，不增加传声器数目，实现方式简单。
2、本发明采用多层立体网格阵列，与平面网格阵列相比，达到了离散化的目的，减少了栅瓣和虚影的影响，可以有效提高噪声源识别的分辨率。
附图说明
图1为本发明测量方法示意图。
图2a为本发明测量阵列在四棱锥底面上的投影图。
图2b为本发明测量阵列在四棱锥侧面上的投影图。
图3为平面网格阵列指向性。
图4为多层立体网格阵列指向性。
图5为平面网格阵列声源识别结果。
图6为多层立体网格阵列声源识别结果。
图中：M为发动机、P为待重建面、C为传声器。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步描述。
具体实施方式
参见图1、图2a和图2b，本实施例中，被测对象M为发动机，其待重建面P为平面，共有7×7的传声器C采用4层立体网格结构分布，将所有传声器分布在四棱锥的四个侧面上(如图2b所示)，所有传声器在四棱锥底面上的投影呈平面网格排布(如图2a所示)，在投影的平面网格中，x和y方向上的传声器个数均为7，在x和y方向上，相邻两传声器的间隔为0.15m，相邻两层之间的间隔亦为0.15m。采用该阵列测量声场中声源辐射声压信号，再对各传声器拾取的声压信号，采用波束成形法进行计算，重建源面声压分布。
对于阵列的指向性的检验：
取方位角α＝0°，声波从30°方向入射，分析频率为2000Hz，计算出平面网格阵列和多层立体网格阵列指向性分别如图3和图4。仿真结果表明：多层立体网格阵列与相同条件下的平面网格阵列相比，可以有效地抑制栅瓣和虚影的产生，从而正确找出声波的入射方向。但是对于多层立体网格阵列，抑制栅瓣和虚影产生的同时，旁瓣也相应地得到增强。
对于阵列的声源识别效果的检验：
声源为脉动球声源，脉动球声源的位置在(0，0，0)m处，球源的半径为0.001m，球源表面的振动速度幅值为0.1m/s。单个脉动球声源的中心位置在一平面上，在此平面下方0.001m处构造一平面称为声源面，与声源面平行的另一平面布置传声器阵列，作为测量面。在两平面之间可以选取一个重建面，重建面的尺寸大小为：长1m×1m，其上重建点以网格分布，x和y向网格的间距都为0.05m，重建面与声源面之间距离为0.3m。
平面网格阵列和多层立体网格阵列对于脉动球声源的识别效果如图5和图6所示。仿真结果表明，多层立体网格阵列识别效果要优于平面网格阵列，可以更好地识别出脉动球声源的位置。

Claims (2)

1、用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列，其特征是一组传声器采用多层立体网格结构分布，所述多层立体网格结构分布是将所述传声器分布在四棱锥的四个侧面上，所有传声器在四棱锥底面上投影呈平面网格排布。
2、根据权利要求1所述用于波束成形法噪声源识别的多层立体网格阵列，其特征是在所述平面网格中，x和y方向上的传声器个数均为n，相邻的传声器之间的间隔为d；所述多层立体网格阵列共为m层，所述m为(
Figure A2009101164820002C1
)的取整数，相邻两层之间的间隔为亦d。
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